Study of the fate of antimicrobial compounds in Lemna minor constructed wetland systems and investigation of the characteristics of the produced biomass

Abstract

Η απελευθέρωση αντιμικροβιακών ουσιών στο περιβάλλον αποτελεί ένα ζήτημα σημαντικού ενδιαφέροντος για την ανθρώπινη υγεία αλλά και την προστασία του περιβάλλοντος. Οι αντιμικροβιακές ουσίες απομακρύνονται συνήθως σε μικρό ποσοστό κατά τη συμβατική επεξεργασία των λυμάτων και κατά συνέπεια συχνά ανιχνεύονται πολύ συχνά στο υδάτινο περιβάλλον. Από το 2000, οι συγκεκριμένες ουσίες έχουν εντοπιστεί σε συγκεντρώσεις της τάξης των ng L-1 ή μg L-1 σε μια ποικιλία περιβαλλοντικών μέσων ανά την υφήλιο. Μεταξύ των διαφόρων συστημάτων τεχνητών υγροτόπων που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων, οι λίμνες που περιέχουν το μακρόφυτο Lemna minor έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε διάφορες χώρες για την απομάκρυνση του οργανικού υλικού, των θρεπτικών και των βαρεών μετάλλων. Καθώς αυτό το φυτό χαρακτηρίζεται από υψηλό πρωτεινικό περιεχόμενο και μεγάλη περιεκτικότητα σε άμυλο, κατά την τελευταία δεκαετία, διάφορες ερευνητικές εργασίες είναι διαθέσιμες που μελετούν την καλλιέργειά του για την παραγωγή ζωοτροφών ή βιοκαυσίμων. Από την άλλη πλευρά, μέχρι σήμερα ελάχιστη πληροφορία είναι διαθέσιμη για την ικανότητα αυτών των συστημάτων να απομακρύνουν οργανικούς μικρορρύπους και ειδικότερα αντιμικροβιακές ενώσεις. Οι κύριοι στόχοι της παρούσας εργασίας ήταν α) να εκτιμηθούν οι περιβαλλοντικοί κίνδυνοι που συνδέονται με την ανθρώπινη κατανάλωση αντιμικροβιακών ουσιών στην Ελλάδα, β) να μελετηθεί η ανάπτυξη και τα χαρακτηριστικά της L. minor σε ανθρώπινα ούρα και αστικά υγρά απόβλητα και γ) να διερευνηθεί η απομάκρυνση των αντιμικροβιακών ουσιών σε συστήματα L. minor καθώς επίσης και ο ρόλος των αβιοτικών και βιοτικών μηχανισμών στην απομάκρυνσή τους. Κατά την πρώτη φάση της διδακτορικής διατριβής, πραγματοποιήθηκε συλλογή δεδομένων για την κατανάλωση σκευασμάτων που περιέχουν αντιμικροβιακές ουσίες στην Ελλάδα και εκτιμήθηκαν οι αναμενόμενες περιβαλλοντικές συγκεντρώσεις (predicted environmental concentration, PEC) στα υγρά απόβλητα χρησιμοποιώντας ισοζύγια μάζας. Έπειτα έγινε συλλογή δεδομένων οξείας τοξικότητας, είτε βιβλιογραφικά, είτε μέσω μοντέλων εκτίμησης οξείας τοξικότητας για τρεις διαφορετικές κατηγορίες υδρόβιων οργανισμών (άλγη, δαφνίδες, ψάρια) με σκοπό να υπολογιστουν οι προβλεπόμενες συγκέντρωσεις που δεν προκαλουν επιπτώσεις (predicted no-effect concentration, PNEC). Τέλος, βάσει των παραπάνω δεδομένων εκτιμήθηκε το πηλίκο επικινδυνότητας (risk quotient, RQ) στο υδάτινο περιβάλλον για κάθε έναν οργανισμό ξεχωριστά. Βασιζόμενοι στα δεδομένα οξείας τοξικότητας, πιθανός οικολογικός κίνδυνος φαίνεται για 7 από τις 24 αντιμικροβιακές ουσίες που μελετήθηκαν για τα ανεπεξέργαστα και τα επεξεργασμένα αστικά λύματα, ενώ δεν αναμένεται κάποιος κίνδυνος για τις δαφνίσες και τα ψάρια. Για τα ελληνικά ποτάμια, όπου παρατηρείται μικρή ή μεσαία αραίωση των αποβλήτων, αναμένεται μέσος έως υψηλός κίνδυνος εξαιτίας της παρουσίας των ουσιών amoxicillin, clarithromycin, ciprofloxacin, azithromycin, erythromycin και levofloxacin. Κατά τη δεύτερη φάση της διδακτορικής διατριβής, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για να μελετηθεί η καλλιέργεια του μακρόφυτου L. minor σε ανθρώπινα ούρα (ΗU) να εξεταστεί ο ρόλος διαφορετικών παραμέτρων όπως του τύπου των ούρων, του συντελεστή αραίωσης, της θερμοκρασίας και της ύπαρξης μάκρο- και μίκροθρεπτικών στην ταχύτητα ανάπτυξής του. Μελετήθηκε επίσης η ταυτόχρονη απομάκρυνση θρεπτικών και επιλεγμένων αντιμικροβιακών ενώσεων σε πειράματα με ούρα και επεξεργασμένα αστικά λύματα, ενώ διερευνήθηκε το περιεχόμενο της βιομάζας σε άμυλο και πρωτείνες. Υψηλές ταχύτητες αύξησης παρατηρήθηκαν στους 24 οC, χρησιμοποιώντας ούρα αποθηκευμένα για 1 ημέρα και συντελεστή αραίωσης 1:200. Στα πειράματα με ούρα και απόβλητα, η απομάκρυνση του COD, του ολικού φωσφόρου και του ολικού αζώτου ξεπέρασε το 80%, 90% και 50%, αντίστοιχα, ενώ το ciprofloxacin και το sulfamethoxazole απομακρύνθηκαν κατά περισσότερο από 80%. Ο κύριος μηχανισμός απομάκρυνσης της πρώτης ουσίας ήταν η φωτοδιάσπαση, ενώ της δεύτερης η πρόσληψη από τα φυτά και η βιοαποδόμηση. Το πρωτεινικό περιεχόμενο της βιομάζας έφθασε το 31.6% στα πειράματα με τα ούρα, ενώ το περιεχόμενο σε άμυλο αυξήθηκε όταν το φυτό μεταφέρθηκε σε νερό για 21 ημέρες, φθάνοντας το 47.1%. Στην τρίτη πειραματική φάση, πραγματοποιήθηκαν πειράματα με τη χρήση επεξεργασμένων αποβλήτων και δυο φωτοσυνθετικών οργανισμών που ανήκουν στα duckweeds για παραγωγή βιομάζας με υψηλό περιεχόμενο σε πρωτείνες και άμυλο. Χρησιμοποιήθηκαν 3 πειραματικές διατάξεις; το Σύστημα 1 περιείχε L.minor, το Σύστημα 2 L.gibba και το Σύστημα 3 συνδυασμό των παραπάνω οργανισμών. Τα μελετώμενα είδη καλλιεργήθηκαν σε δευτεροβάθμια επεξεργασμένα υγρά απόβλητα (Φάση Α), παρουσία επιπλέον ΝΗ4-Ν (Φάση Β) και παρουσία νερού χωρίς θρεπτικά (Φάση Γ). Όλα τα συστήματα πέτυχαν μέση απομάκρυνση αμμωνιακού αζώτου μεγαλύτερη του 90%. Η ειδική ταχύτητα αύξηση των φυτών κυμάνθηκε μεταξύ 0.14 d−1 (Σύστημα 1) και 0.19 d−1 (Σύστημα 3). Η προσθήκη NH4-N συνετέλεσε σε σημαντική αύξηση του πρωτεινικού περιεχομένου που έφθασετο 44.4% στο Σύστημα 3, 41.9% στο Σύστημα 2 και 39.4% στο Σύστημα 1. Η μεταφορά της βιομαζας στο νερό που δεν περιείχε θρεπτικά οδήγησε σε βαθμιαία αύξηση της περιεκτικότητας σε άμυλο. Η μεγαλύτερη συγκέντρωση σε άμυλο παρατηρήθηκε για το συνδυασμό των δύο μακροφύτων (46.1%), ακολουθούμενη από τη L. gibba (44.9%) και τη L. minor (43.9%). Στο τελευταίο πειραματικό στάδιο της παρούσας διατριβής, μελετήθηκαν οι μηχανισμοί της υδρόλυσης, φωτοδιάσπασης, προσρόφησης, πτητικοποίησης και η μικροβιακή βιοαποδόμηση τεσσάρων αντιμικροβιακών ουσιών (cefadroxil, CFD; metronidazole, METRO; trimethoprim, TRI; sulfamethoxazole, SMX) σε συστήματα ασυνεχούς τροφοδοσίας που περιείχαν τον οργανισμό L. minor. Όλες οι εξεταζόμενες ουσίες απομακρύνθηκαν σημαντικά στα πειράματα ασυνεχούς τροφοδοσίας, μεγαλύτερη απομάκρυνσηέως το τέλος του πειράματος -κατά φθίνουσα σειρά- παρατηρήθηκε για τις ουσίες CFD>METRO>SMX>TRI. Υπολογισμός των κινητικών σταθερών για την υδρόλυση, φωτοδιάσπαση, ρόφηση στη βιομάζα και πρόσληψη από τα φυτά έδειξε σημαντικές διαφοροποιήσεις ανάλογα με την ουσία και τον μελετούμενο μηχανισμό. Παράλληλα αναγνωριστηκαν τα προιόντα μετατροπής των αντιμικροβιακών ενώσεων με χρήση UHPLC-QToF-MS. Για την ουσία trimethoprim βρέθηκε ότι οι δύο βασικοί οδοί αποδόμησής της είναι η υδροξυλίωση που λαμβάνει χώρα τόσο κατά τη φύτο-αποδόμηση όσο και κατά τη φωτοδιάσπαση και η απομεθυλίωσηπου παρατηρείται απουσία της L. minor. Η λειτουργία ενός συστήματος συνεχούς ροής με L. minor έδειξε ότι οι ουσίες METRO και TRI απομακρύνθηκαν κατά 71±11% και 61±8%, αντίστοιχα. Η πρόσληψη από τα φυτά και η βιοαποδόμηση ήταν οι βασικοί μηχανισμοί απομάκρυνσης του METRO ενώ η πρόσληψη από τα φυτά για το TRI.